Диагностика и контроль технического состояния рулевого управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диагностика и контроль технического состояния рулевого управления

Тулеков Е.Д.,

Кара Г.С.,

Туйгынбеков К.Т.

Одной из важней проблем на автомобильном транспорте является безопасность движения, обеспечение которой в наибольшей степени зависит от технического состояния рулевого управления автомобиля.

Анализ причин дорожно-транспортных происшествий свидетельствует о том, что 5-11% происшествий на автомобильных дорогах является следствием технических неисправностей подвижного состава, в числе которых неисправности рулевого управления составляют 17-20% [1].

Люфт руля в эксплуатации, согласно ГОСТ, для легковых автомобилей не должен превышать 10°, грузовых - 25°, автобусов - 20°. Проверки технического состояния рулевого управления [2] показывают, что свыше 15% автомобилей, работающих на линии, имеют неисправные рулевое управления. При обследовании одного Алматинского таксомоторного парка было выявлено увеличение люфт рулевого управления у 29% автомобилей, а у 17% этих автомобилей он превышал нормальный в 3-4 раза.

Повышение надежности и долговечности автомобилей и их систем в большой степени зависит от того, насколько квалифицированно осуществляются сбор и обработка эксплуатационной информации, от уровня развития средств контроля технического состояния, обеспечивающих необходимую глубину анализа этой информации. Недоучет этих аспектов в приложении к исследованию надежности систем автомобиля, определяющих его безопасную эксплуатацию, является существенным тормозом в совершенствовании этих систем. В условиях интенсификации рабочих процессов требования к надежности систем управления автомобилем, а следовательно, и к точности оценки их технического состояния, особенно высоки.

Анализ работ, посвященных исследованию эксплуатационной надежности рулевых управлений, показывает, что в большей части они завершаются оценкой надежности отдельных деталей или узлов. Надежность и техническое состояние рулевого управления в целом редко являлись объектом исследований. Применительно к рулевому управлению автомобилей до сих пор нет полной ясности и определенности в трактовке основного понятия теории надежности - "отказ". Это накладывает отпечаток и на сам процесс сбора эксплуатационной информации о надежности рулевого управления.

Недоступность поломок в столь ответственной системе позволяет считать, что основным видом отказов рулевых управлений должны являться отказы параметрические, проявляющиеся в несоответствии того или иного выходного параметра системы техническим требованиям. Таким образом, решение вопросов контроля (диагностики) технического состояния рулевых управлений и оценки их надежности требует четкого формирования понятия "отказ". рулевой управление автомобиль

В соответствии с принятой терминологией под отказом понимается полная или чистая потеря работоспособности агрегата, узла или частичная потеря работоспособности агрегата, узла или системы. Поэтому уточнить понятие отказа рулевого управления можно, лишь решив задачу формализации условий его работоспособности состояния. Оценка надежности в этом случае сведется к анализу результатов контроля (диагностики) выполнения этих условий.

Формализация условий работоспособности рулевого управления сопряжена с трудностями математического плана, связанными с необходимостью анализа системы со многими нелинейностями, а также с постепенным изменением параметров системы в процессе эксплуатации и со сложностью описания процессов, протекающих в отдельных элементах рулевого управления. Формализация условий работоспособности требует, кроме того, еще и знания границ допустимого отклонения основных параметров. Определение этих границ представляется сложной задачей, не имеющей в настоящее время законченного решения.

Ряд практических задач, однако, не требует завершения исследований по формализации условий работоспособности. Такие задачи, как определение числа и вида параметров, подлежащих контролю (диагностике) в процессе эксплуатации, разработка методики их определения, обоснование режимов диагностики и потребного оборудования могут быть решены уже на стадии постановки и формирования проблемы формализации условий работоспособности.

Обратимся к математической модели рулевого управления. Вывод уравнений, описывающих динамику процессов в рулевом управлении с гидроусилителем, и соответствующая им структурная схема рулевого управления приведены в работе авторов [3]. Произведя структурные преобразования исходной схемы, получим обобщенную структурную схему рулевого управления, одинаковую для любого типа его компоновки (рис. 1).

Рис. 1. Переобразование исходной структурной схемы в обобщенную структуру рулевого управления

Представление динамики рулевого управления в виде обобщенной структурной схемы позволяет получить целую группу физически хорошо осмысливаемых оценочных параметров:

1. Передаточную функцию по углу поворота управляемых колес:

,

где: - передаточная функция разомкнутой системы; преобразованные по Лапласу функции угла поворота управляемых колес и рулевого колеса.

Для практических целей удобно пользоваться безразмерной функцией, характеризующей степень приближения реального рулевого управления к идеальной системе - кинематической передаче:

где кинематический коэффициент усиления рулевого управления по углу поворота управляемых колес, численно равный величине, обратной кинематическому передаточному числу рулевого управления.

2. Передаточную функцию рулевого управления по возмущающему моменту, характеризующую сопротивляемость повороту управляемых колес под действием возмущений со стороны дороги:

где преобразованная по Лапласу функция возмущающего момента, приведенного к рычагу поворотной цапфы.

3. Передаточную функцию рулевого управления по усилию на рулевом колесе, возрождающуюся в прямую жестокость рулевого управления при заблокированных управляемых колесах:

где Мр (р) - преобразованная по Лапласу функция крутящего момента на рулевом колесе.

4. Передаточную функцию по ошибке, характеризующую точность системы или ее ошибку:

где преобразованная по Лапласу функция ошибки.

Наибольший интерес при проверке технического состояния рулевого управления представляют параметры, характеризующие точность или ошибку системы и нагруженность водителя моментом на рулевом колесе, т.е. передаточная функция рулевого управления по усилию на рулевом колесе.

Анализ существующих методов диагностики рулевых управлений подтверждает, что точность системы и нагруженность водителя являются основными параметрами оценки технического состояния [4]. Однако на практике оценка точности рулевого управления сводится к определению лишь суммарного люфта в нем, а оценка нагруженности водителя - к определению усилия на рулевом колесе в процессе его проворачивания при вывешенных управляемых колесах, используемого для оценки величины трения в рулевом управлении. При этом применение указанных параметров, как правило, не оговаривается обоснованными режимами испытаний.

Результаты экспериментальных исследований показывают существенную зависимость основных параметров рулевого управления от веса, приходящегося на управляемый мост, оборотов насоса гидроусилителя и частоты управляющего воздействия.

На рисунке 2 приведены экспериментальные фазовые характеристики рулевого управления ЗИЛ-130, представляющие собой зависимость ошибки системы от частоты управляющего сигнала. Амплитуда входного сигнала выдерживалась постоянной и составляла 1800 угла поворота рулевого колеса. Нагружение рулевого управления осуществлялось суммарным моментом сопротивления повороту управляемых колес при вертикальной осевой нагрузке т, за исключением момента трения в пятне контакта шин с дорогой. Средняя величина момента сопротивления повороту управляемых колес, приведенного к рычагу продольной тяги, составила 100 кг•см.

Рис. 2. Экспериментальные характеристики смещения золотника е и фазовых сдвигов е в рулевом управлении ЗИЛ-130 в зависимости от производительности насоса гидроусилителя, нагрузки и частоты входного сигнала (амплитуда входного сигнала г=180?)

Как видно из рисунка, при частотах входного сигнала, близких к нулю, и вывешенных управляемых колесах величина ошибки (кинематического люфта) рулевого управления составляет примерно 100, что находится в допустимых пределах.

Однако даже при этих частотах входного сигнала сказывается влияние на изменения оборотов насоса гидроусилителя. Понижение оборотов насоса ведет к увеличению кинематического люфта за счет возрастания мертвого хода золотника гидроусилителя. С ростом частоты это влияние заметно увеличивается.

Ошибка в нагруженном рулевом управлении при оборотах насоса 1740 об/мин и частотах, близких к нулю, примерно в два раза больше, чем в ненагруженном, и резко возрастает с ростом частоты входного воздействия (кривая 4).

На этом же рисунке представлены графики смещения золотника от нейтрального положения в зависимости от частоты входного воздействия при различных оборотах насоса. Кривые 1-3 соответствуют вывешенным управляемым колесам, кривая 4 - нагруженному рулевому управлению.

Эти зависимости поясняют причину роста ошибки системы в зависимости от оборотов насоса: с уменьшением производительности насоса, вызванной снижением оборотов, уменьшается диапазон частот, в которых система "золотник-поршень" работает в следящем режиме. После выхода из следящего режима золотник занимает крайнее положение и система работает по разомкнутому принципу.

Приведенные на рисунке 2 экспериментальные характеристики получены при подаче на вход на гармонического сигнала. Преимущества такой формы сигнала заключаются в относительной простоте его практической реализации, а также в том, что получаемые при этом частотные характеристики достаточно просто получаются теоретически преобразованием частотной передаточной функции, которая, в свою очередь, получается непосредственно из передаточной функции системы подстановкой Последняя, как известно, эквивалентна системе дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы в системе.

Приведенные выше результаты анализа данных теоретического и экспериментального исследований позволяют определить перечень и примерный тип устройств, необходимых для оборудования поста диагностики технического состояния рулевых управлений.

Основным устройством поста является генератор гармонических колебаний, диапазон воспроизводимых частот которого должен быть согласован с амплитудой колебаний входного сигнала из расчета непревышения амплитудного значения угловой скорости поворота рулевого колеса, равной 2 об/с. Расположение генератора гармонических колебаний на посту диагностики показано на рисунке 3.

1 - рулевая колонкаа; 2 - салазки; 3 - поворотная площадка; 4 - захватывающее устойство; 5 - кривошипно-шатунный механизм; 6 - электродвигатель; 7, 8 - коробки передач; 9 - ременная передача.

Рис. 3. Расположение генератора гармонических колебаний на посту диагностики: а) общий вид поста диагностики технического состояния рулевого управления; б) размещение узлов генератора гармонических колебаний на кронштейне салазок

Генератор представляет собой расположенный на подвижных салазках кривошипно-шатунный механизм с устройством для ступенчатого изменения скорости вращения вала кривошипа. После установки автомобиля в исходное для диагностики положение и снятия рулевого колеса салазки смещаются в сторону автомобиля и ведущая шестерня генератора, сопряженная с ползуном-рейкой, с помощью специального захвата блокируется с верхним концом рулевого вала. Захвата включает в себя тензометрический элемент, позволяющий регистрировать усилие, прикладываемое к рулевому колесу (рис. 4).

Другим обязательным элементом поста диагностики являются поворотные площадки, устраняющие трение пятна контакта колеса с опорной поверхностью (рис. 5), поворотные площадки оборудованы устройствами для замера переднего осевого веса автомобиля перед диагностикой, состоящими из динамометра сжатия, включаемого в работу с помощью салазок, перемещаемых штоком гидроцилиндра.

1 - рулевой вал; 2 - хомут; 3 - рулевая колонка; 4 - подшипник опоры зубчатой рейки; 5 - стакан; 6 - торсион; 7 - зубчатая рейка; 8 - шестерня.

Рис. 4. Тензометрический узел крепления зубчатой рейки-ползуна с рулевым валом

1 - реборда; 2 - упорный подшипник; 3 - стакан динамометра сжатия; 4 - корпус; 5 - гидроцилиндр салазок; 6 - салазки; 7 - динамометр сжатия; 8 - основание поворотной площадки; 9 - площадка взвешивающего устройства.

Рис. 5. Поворотная площадка со взвешивающим устройством Регистрация процессов может быть осуществлена с помощью серийно выпускаемых осциллографов и низкочастотных фазометров.

Рассмотренный вопрос о подходе к выбору программы и методики контроля (диагностирования) технического состояния рулевых управлений автомобилей в практическом плане должен решаться незамедлительно, поскольку вопросы диагностики смыкаются в вопросами оценки надежности эксплуатируемых систем.

Накопление информации о законах изменения основных оценочных параметров в процессе эксплуатации позволит выявить параметры, наиболее чувствительные к изменению характеристик отдельных элементов рулевого управления, и решить вопрос создания контролеспособных систем рулевого управления уже на стадии проектирования.

Литература

1. Автотранспортные средства. Требования к техническому состоянию по условиям безопасности движения. Государственный стандарт РФ ГОСТ 25478-91. - М.: Гос. комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации, 1995. - 34 с.

2. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и дополн. / Е.С. Кузнецов, А.П. Болдин, В.М. Власов и др. - М.: Наука, 2001. - 535 с.

3. Мирошников JI. В. и др. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортны предприятиях. - М.: Изд-во "Транспорт", 1977. - 263 с.

Размещено на Allbest.ru