ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ УЗЛОВ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ

Пеньков Е.А.¹, Калимуллин Р.Ф.², Ковриков И.Т.³

¹ORCID: 0000-0001-7811-9616, Аспирант, ²ORCID: 0000-0003-4016-2381, Кандидат технических наук, доцент, ³ Доктор технических наук, профессор, Оренбургский государственный университет

ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ УЗЛОВ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ

Аннотация

По результатам анализа эксплуатационной надежности коробок передач автомобилей и автобусов выявлена необходимость применения при техническом обслуживании диагностирования механических коробок передач и механизмов сцепления для оценки их фактического состояния. Выявлены особенности диагностирования коробки передач автомобиля. Представлены основные задачи, решение которых позволит повысить эффективность диагностирования узлов трансмиссии автомобиля, а также развить перспективную в настоящее время систему бортового диагностирования. Проведен анализ существующих методов обработки вибросигнала, позволяющих выявить полезный сигнал от помех. Предложен способ комплексного диагностирования узлов трансмиссии автомобиля.

Ключевые слова: диагностирование, узлы трансмиссии, автомобиль, вибросигнал, комплексное диагностирование.

Penkov E.A.¹, Kalimullin R.F.², Kovrikov I.T.³

¹ORCID: 0000-0001-7811-9616, Postgraduate student, ²ORCID: 0000-0003-4016-2381, PhD in Engineering, Associate professor, ³PhD in Engineering, Professor, Orenburg State University

RATIONALE FOR THE DEVELOPMENT OF COMPLEX METHOD OF DIAGNOSING A PARTS TRANSMISSION A CAR

 Abstract

According to the analysis of the operational reliability of gearboxes for cars and buses revealed the necessity of using maintenance diagnostics of mechanical gearboxes and clutch mechanisms to assess their actual state. Peculiarities of diagnostics of the transmission of the vehicle. Presents the objectives, the solution of which will improve the efficiency of diagnosing units of the vehicle transmission, and to develop promising at the present time the system diagnostics. The analysis of existing methods of processing of the vibration signal, enabling the identification of the useful signal from noise. The proposed block diagram of the method of complex diagnosis.

Keywords: diagnosis, components of the transmission, the car vibrate, complex diagnosis.

Важной задачей при эксплуатации автомобилей является поддержание его надежности на оптимальном уровне, которая обеспечивала бы безотказное выполнение транспортной работы и минимизировало затраты на перевозочный процесс. Надежность автомобиля зависит от надежности его составных частей, и одними из таких частей является коробка передач (КП) автомобиля и механизм сцепления. Результаты анализа эксплуатационной надежности автомобилей КАМАЗ различных моделей (КАМАЗ 65115, 54115, 4308, 53229, 43114, 53215 и др.) показали, что средняя наработка на отказ элементов КП имеет значительную вариацию от среднего значения. Так, для шестерен, зубчатых муфт и подшипников она варьируется в пределах от 900  до 70000 км. (рисунок 1, а, б, в), причем можно утверждать, что величины с сильным отклонением от среднего не являются случайным явлением. Результаты анализа статистики отказов за год эксплуатации автобусов ПАЗ, ЛиАЗ и Autosun (рисунок 1, г) также подтверждают данное положение.

Это означает, что техническое обслуживание КП и механизма сцепления трудно подвести к плановому по пробегу, а более целесообразным является обслуживание по фактическому состоянию с определением дефекта на стадии развития. Таким образом, развитие направления диагностирования КП и механизма сцепления автомобиля по фактическому состоянию является актуальной задачей.

Рис. 1 – Частота возникновения дефектов: а) шестерен КП автомобиля КАМАЗ; б) зубчатой муфты КП автомобиля КАМАЗ; в) подшипников КП автомобиля КАМАЗ; г) механизма сцепления и КП автобусов ПАЗ, Autosun, ЛиАЗ в течение года эксплуатации

Существует ряд методов определения технического состояния КП. В работе рассмотрены методы, которые позволяют оценить техническое состояние узла без разбора.

Самым простым и распространенным является органолептический метод, его особенности рассмотрены в работе [1]. В некоторой степени от ошибок субъективной оценки избавляет логический метод [3-6], но не в достаточной степени. Вероятность ошибок первого и второго рода остаются на высоком уровне.

В работе [2] рассмотрен метод суммарного углового люфта между входным и выходным валами, позволяющий определять структурный параметр - износ профиля зуба. Автор утверждает, что, исходя из данного параметра, можно установить неисправности других деталей КП. Недостаток такого метода обусловлен сложностью функциональных связей между структурным параметром и техническим состоянием других деталей КП, которые не определены явно.

Существует метод определения технического состояния КП по излучаемому шуму [7]. В работе описан метод, который позволяет определить износ поверхностей зубьев в зубчатом зацеплении КП. Но данный метод не дает информации о техническом состоянии других элементов КП, и его использование затруднено сложностью обработки данных и постановки диагноза, что ограничивает его применение в условиях автотранспортных предприятий.

Анализ работ в области диагностирования автомобильных агрегатов [8-11] показал, что виброакустический метод оценки наличия дефектов в механизме является наиболее точным среди рассмотренных методов в этой области.

В работе [8] представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области диагностирования КП: установлено наличие зависимости между сопутствующими параметрами работы КП и наличием дефектов в ее элементах. В качестве сопутствующего параметра принят виброакустический сигнал. Автором предложен «паспорт» неисправностей КП для автомобилей «ГАЗель» и «Соболь», где одиннадцати видам дефектов соотнесены частоты в спектре колебаний. Причем каждой частоте, кроме одной, соответствует три дефекта. Данное обстоятельство приводит к неоднозначному определению вида дефекта при диагностировании. Также к ошибочному диагнозу могут привести отсутствие последующей обработки сигнала, позволяющей отделить шумы в измеренном сигнале. Кроме того, процесс диагностирования осложняется отсутствием специализированного оборудования и обобщенного метода постановки диагноза.

Наиболее перспективным направлением является комплексное диагностирование, которое предполагает использование нескольких методов диагностирования при определении технического состояния объекта и его прогнозирования. В работе [11] рассмотрен комплексный метод диагностирования ступичных подшипников автомобиля на основе виброакустического метода и измерения электрического сопротивления в подшипнике.

Таким образом, существующие средства диагностирования механизма сцепления и КП автомобиля нуждаются в совершенствовании.

Основная трудность при использовании виброакустического метода - обработка и анализ полученных сигналов, который предполагает выделение полезного сигнала из шумов. Сигнал, полученный в результате измерения датчиком ускорения можно представить в следующем виде [4]:

где s₁(t) – полезная часть сигнала;

       k(t) и m(t) – мультипликативная и аддитивная помехи.

Особенность диагностирования трансмиссии автомобиля по сигналам вибрации силового агрегата заключается в том, что рабочие процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), вносят помехи, в общем объеме превышающие во много раз сигналы основных неисправностей элементов трансмиссии. Кроме того, при движении со стороны колес также поступают сигналы, которые являются помехами. К мультипликативной помехе в данном случае можно отнести изменение режима работы ДВС, а к аддитивным – колебания, возникающие в других узлах силового агрегата относительно рассматриваемого узла (колебания коленчатого вала, клапанов ГРМ, поршня при перекладке, форсунок в дизельном двигателе и т.д.) и процесс сгорания в цилиндрах.

Наличие особенностей при диагностировании трансмиссии автомобиля вносит свои трудности, например: невозможно оценить техническое состояние по параметру среднеквадратического значения величин, характеризующих вибрацию; затруднена установка датчика перемещения вала для оценки его траектории движения или датчика синхронизации для синхронного усреднения по времени и др.

Существует ряд методов обработки сигнала вибрации. Для выявления дефектов в подшипнике качения или в зубчатом зацеплении на ранних стадиях наиболее эффективным является метод анализа спектра огибающей вибрационного сигнала [12, 13]. Недостатком метода является то, что нет возможности достаточно полно автоматизировать алгоритмы метода из-за сложности выбора фильтра верхних и нижних частот при предварительном анализе [14]. Данный недостаток может, в том числе, устранить адаптивная обработка сигналов [15]. Достаточно эффективно избавиться от шумов позволяет применение метода автокорреляции или эмпирического метода декомпозиции [16, 17].

Сделан вывод, что необходимо подобрать цифровые методы обработки сигналов, полученных в условиях работы автомобиля, а для снижения трудоемкости и сложности процесса диагностирования необходимо автоматизировать алгоритмы применяемых методов обработки сигналов.

Для повышения точности диагностирования сложной системы необходимо снижать вероятность возникновения ошибок первого и второго рода при установлении диагноза. Этого позволяет добиться применение нескольких диагностических параметров разных процессов одного объекта, которое ведет к увеличению используемых методов обработки полученных сигналов.

Коробка передач и механизм сцепления являются сложной диагностической системой, для которой необходим комплексный диагностический параметр, базирующийся на трех сопутствующих процессах: вибрациях на корпусах узлов, излучаемом шуме и температуре. Разработанная структурная схема комплексного диагностирования узлов трансмиссии, представленная на рисунке 2, условно разбита на три направления: подбор датчиков для формирования сигналов, обработка сигналов и постановка диагноза, взаимодействие оператора (водителя) с системой диагностики. Каждая каждое направление содержит ключевые фразы, характеризующие соответствующие им направления.

Рисунок 2 – Структурная схема комплексного диагностирования узлов трансмиссии

 

Реализация данной схемы диагностирования предполагает решение следующих частных задач:

- подбор датчиков;

- разработка аппаратной составляющей для предварительной обработки полученных сигналов;

- выбор методов цифровой обработки сигналов для устранения шумов и извлечения информативного сигнала;

- установление  диагностической модели;

- разработка программного обеспечения и алгоритмов его работы для штатного и внешнего систем диагностирования.

Решение приведенных выше основных задач позволит повысить эффективность диагностирования узлов трансмиссии автомобиля, а также развить перспективную систему бортового диагностирования.

Литература

1. Пеньков, Е.А. Диагностирование сцепления автомобиля по показателям вибрации силового агрегата / Е.А. Пеньков, Р.И. Гарипов, Ш.С. Хуснетдинов // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2014. - №10 (171) – С. 146-151.
2. Гладцын, А.Ю. Определение технического состояния коробок переключения передач грузовых автомобилей/ А.Ю. Гладцын // Вестник НГИЭИ (Нижегородского государственного инженерно-экономического института). – 2014. - № 10 (41) – С. 50-53.
3. Биргер, И.А. Техническая диагностика / И.А. Биргер. – М.: «Машиностроение», 1978. - 240 с.
4. Павлов, Б.В. Акустическая диагностика механизмов / Б.В. Павлов. – М.: «Машиностроение», 1971. - 224 с.
5. Лянденбурский, В. В. Встроенная система диагностирования коробки передач автомобилей / В.В. Лянденбурский, М.В. Нефедов, В.Н. Боровков // Интернет-журнал «Науковедение». - 2014. - №5(24). - URL: http://cyberleninka.ru//article/n/vstroennaya-sistema-diagnostirovaniya-korobki-peredach-avtomobiley (дата обращения: 21.03.2016).
6. Лянденбурский, В. В. Морфологический анализ методов поиска неисправностей транспортных средств / В.В. Лянденбурский, Ю.В. Родионов, С.А. Кривобок, П.А. Мнекин // Интернет-журнал «Науковедение». - 2012. - №4(13). - URL: http://cyberleninka.ru/article/n/morfologicheskiy-analiz-metodov-poiska-neispravnostey-transportnyh-sredstv (дата обращения: 21.03.2016).
7. Долотов, А. А. Математическая модель расчета звукоизлучения коробки переключения передач автомобилей семейства ГАЗ 3110, 31105 / А.А. Долотов, А. В. Победин, Н. С. Соколов-Добрев, К. О. Долгов // Известия ВолгГТУ. - 2010. - №3 – С. 29 – 33.
8. Лелиовский, К.Я. Разработка методики виброакустической оценки нагруженности и дефектов коробки передач колесных машин: дисс. канд. техн. наук. [Текст]/ Лелиовский К.Я. – Нижний Новгород, 2008.
9. Лелиовский, К.Я. Исследование вибрационных характеристик агрегатов трансмиссий автотракторной техники для совершенствования их конструкции / К.Я. Лелиовский // Вестник НГИЭИ (Нижегородского государственного инженерно-экономического института). - 2011. - №1 (2). – С.103 – 109.
10. Скворцов, А.А. Разработка методики виброакустической диагностики ведущих мостов легковых автомобилей для бортовой системы диагностирования агрегатов трансмиссии: дисс. канд. техн. наук. [Текст]/ Скворцов А.А. – Ижевск, 2014.
11. Майоров, М.В. Разработка комплексного метода диагностирования ступичных подшипников автомобиля: дисс. канд. техн. наук. [Текст]/ Майоров М.В. – Орел, 2015.
12. Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин. Часть 2. Обработка, анализ и представление результатов измерений вибраций: ГОСТ Р ИСО 13373-2 – 2009. – Издание официальное. – М.: Стандартинформ, 2010. – 28 с.
13. Lebold, M. Review of Vibration Analysis Methods for Gearbox Diagnostics and Prognostics / M. Lebold, K. McClintic, R. Campbell, C. Byington, K. Maynard // Proceedings of the 54th Meeting of the Society for Machinery Failure Prevention Technology, Virginia Beach, VA. – 2000. - P. 623-634.
14. Давыдов, И.Г. Оценка помехоустойчивости метода диагностики роторных узлов машин в зависимости от условий предварительной фильтрации вибрационного сигнала / И.Г. Давыдов, С.Ю. Васюкевич, С.А. Мигалевич, А.В. Пурко // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. 2014. №4 (59). - URL: http://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-pomehoustoychivosti-metoda-diagnostiki-rotornyh-uzlov-mashin-v-zavisimosti-ot-usloviy-predvaritelnoy-filtratsii (дата обращения: 12.04.2016).
15. Уидроу, Б. Адаптивная обработка сигналов / Б. Уидроу, С. Стирнз. – М.: Радио и связь, 1989, - 440 с.
16. Guan, L. Gearbox Fault Diagnosis under Different Operating Conditions Based on Time Synchronous Average and Ensemble Empirical Mode Decomposition / L. Guan, Y. Shao, F. Gu, B. Fazenda, A. Ball // IEEE Conference Publications. – 2009. - P. 383 – 388.
17. Li, H. Gear Crack Level Classification Based on EMD and EDT / H. Li, J. Zhao, X. Zhang, H. Teng // Mathematical Problems in Engineering, Volume 2015, Article ID 137274.

References

1. Pen'kov, E.A. Diagnostirovanie sceplenija avtomobilja po pokazateljam vibracii silovogo agregata [Diagnosing of car clutch by indicators of power unit vibration] // Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Orenburg State University]. - 2014. #10 (171). P. 146-151. [in Russian]
2. Gladcyn, A.Ju. Opredelenie tehnicheskogo sostojanija korobok perekljuchenija peredach gruzovyh avtomobilej [The definition of a technical condition boxesgear trucks] // Vestnik NGIJeI [Bulltin of the Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics]. – 2014. #10 (41). P. 50-53. [in Russian]
3. Birger, I.A. Tehnicheskaja diagnostika [Technical diagnostics] / I.A. Birger. – M.: «Mashinostroenie». 1978. - 240 P. [in Russian]
4. Pavlov, B.V. Akusticheskaja diagnostika mehanizmov [Acoustic diagnostics of mechanisms]. – M.: «Mashinostroenie». 1971. - 224 P. [in Russian]
5. Ljandenburskij, V. V. Vstroennaja sistema diagnostirovanija korobki peredach avtomobilej [Built-in diagnostic system, vehicle gearboxes] // Internet-zhurnal «Naukovedenie» [On-line Journal «Naukovedenie»]. - 2014. #5 (24). URL: http://cyberleninka.ru// Article / n / vstroennaya-sistema-diagnostirovaniya-korobki-peredach-avtomobiley (data obrashhenija: 03.21.2016). [in Russian]
6. Ljandenburskij, V. V. Morfologicheskij analiz metodov poiska neispravnostej transportnyh sredstv [Morphological analysis of methods to search for the faults of vehicles] // Internet-zhurnal «Naukovedenie» [On-line Journal «Naukovedenie»]. - 2012. #4(13). URL: http://cyberleninka.ru/article/n/morfologicheskiy-analiz-metodov-poiska-neispravnostey-transportnyh-sredstv (data obrashhenija: 21.03.2016). [in Russian]
7. Dolotov, A. A. Matematicheskaja model' rascheta zvukoizluchenija korobki perekljuchenija peredach avtomobilej semejstva GAZ 3110, 31105 [Mathematical model of calculating the sound emission cars gearbox family GAZ 3110, 31105] // Izvestija VolgGTU [News of Volgograd State Technical University]. - 2010. #3. P. 29 – 33. [in Russian]
8. Leliovskij, K.Ja. Razrabotka metodiki vibroakusticheskoj ocenki nagruzhennosti i defektov korobki peredach kolesnyh mashin: Dissertatsiya na soiskaniye uchenoy stepeni k.t.n. [Development of methods for evaluation of loading and defects transmission cars: Ph.D. thesis]. – Nizhnij Novgorod. 2008. – 253 P. [in Russian]
9. Leliovskij, K.Ja. Issledovanie vibracionnyh harakteristik agregatov transmissij avtotraktornoj tehniki dlja sovershenstvovanija ih konstrukcii [Research of vibrating characteristics of units of transmissions ofautotractor technics for perfection of their design] // Vestnik NGIJeI [Bulltin of the Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics]. - 2011. #1 (2). P.103 – 109. [in Russian]
10. Skvorcov, A.A. Razrabotka metodiki vibroakusticheskoj diagnostiki vedushhih mostov legkovyh avtomobilej dlja bortovoj sistemy diagnostirovanija agregatov transmissii: Dissertatsiya na soiskaniye uchenoy stepeni k.t.n. [Development of a technique of vibro-acoustic diagnosis of the driving axles of passenger cars for the on-board diagnostics system transmission units]. – Izhevsk. 2014. – 153 P. [in Russian]
11. Majorov, M.V. Razrabotka kompleksnogo metoda diagnostirovanija stupichnyh podshipnikov avtomobilja: Dissertatsiya na soiskaniye uchenoy stepeni k.t.n. [Development of a comprehensive method of diagnosing wheel bearings car]. – Orel. 2015. – 141 P. [in Russian]
12. Kontrol' sostojanija i diagnostika mashin. Vibracionnyj kontrol' sostojanija mashin. Chast' 2. Obrabotka, analiz i predstavlenie rezul'tatov izmerenij vibracij [Condition monitoring and diagnostics of machines - Vibration condition monitoring - Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data]: GOST R ISO 13373-2 – 2009. – Izdanie oficial'noe [Official publication]. – M.: Standartinform. 2010. – 28 P. [in Russian]
13. Lebold, M. Review of Vibration Analysis Methods for Gearbox Diagnostics and Prognostics // Proceedings of the 54th Meeting of the Society for Machinery Failure Prevention Technology. 2000, P. 623-634. [in USA]
14. Davydov, I.G. Ocenka pomehoustojchivosti metoda diagnostiki rotornyh uzlov mashin v zavisimosti ot uslovij predvaritel'noj fil'tracii vibracionnogo signala [Estimation of noise immunity of the method of diagnostics of rotor units, depending on the conditions of pre-filtering of the vibration signal] // Vestnik GGTU im. P.O. Suhogo [Bulletin Gomel State Technical University named after P.O. Sukhoy]. 2014. #4 (59). - URL: http://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-pomehoustoychivosti-metoda-diagnostiki-rotornyh-uzlov-mashin-v-zavisimosti-ot-usloviy-predvaritelnoy-filtratsii (data obrashhenija: 12.04.2016). [in Russian]
15. Uidrou, B. Adaptivnaja obrabotka signalov [Adaptive Signal Processing] – M.: Radio i svjaz'. 1989. - 440 P. [in Russian]
16. Guan, L. Gearbox Fault Diagnosis under Different Operating Conditions Based on Time Synchronous Average and Ensemble Empirical Mode Decomposition: IEEE Conference Publications. 2009. P. 383 – 388. [in USA]
17. Li, H. Gear Crack Level Classification Based on EMD and EDT // Mathematical Problems in Engineering. 2014. P. 1 - 10. [in USA]