Диагностирование газораспределительного механизма на основе контроля виброколебаний его элементов

В современном машиностроении наметилась серьезная тенденция на совершенствование систем и узлов под высокотехнологичные стандарты ЕВРО-5 и 6 [1, 2]. Различными научными, исследовательскими и конструкторскими организациями одновременно улучшаются характеристики топлив, масел, рабочих жидкостей [3–5]. Но вместе с тем очень важен непрерывный контроль правильности функционирования систем автомобилей [6–9]. Для чего разрабатываются бортовые информационные системы, алгоритмы, методы и средства диагностирования систем автомобиля [10, 11]. Особое внимание уделяется адаптивности элементов и систем под постоянно изменяющиеся условия эксплуатации и техническое состояние [12–14]. Примером может служить ГРМ современных автомобилей, в конструкции которого произошли существенные изменения за последние годы [15–17]. Эти изменения связаны с появлением: гидротолкателей клапанов, автоматических гидронатяжителей цепей ГРМ, автоматической регулировки фаз ГРМ. Однако при всех этих доработках нет главного – электронных систем контроля зазоров ГРМ и надежных методов их диагностирования. Вместе с тем для диагностирования ГРМ применяют ряд известных разборных и безразборных методов. Из них наиболее известны методы контроля:

Гриценко А.В., Шепелев В.Д., Бурцев А.Ю.

компрессии, утечки воздуха из цилиндров ДВС, компрессорно-ваккумный метод, тепловых зазоров при помощи щупа, эндоскопический метод, контроля динамического давления в камере сгорания ДВС, по вибрации и шуму [18–20]. Однако низкая достоверность этих методов при существенной трудоемкости требует разработки новых и совершенствования существующих методов диагностирования ГРМ. Статистика отказов элементов ГРМ современных автомобилей представлена на рис. 1.

предельный рост зазоров в

ГРМ

• ■    смещение фаз ГРМ

• ■    прогар клапанов в месте

посадки износ кулачков и шеек распредвала

• ■    псдвисание впускных и выпускных клапанов

• ■    потеря свойств пружин, их поломка

• ■    износ втулок, гидротолкатепен

• ■    износ подшипников и опорных поверхностей распредвала

Рис. 1. Распределение отказов ГРМ

Как видно из рис. 1 доминирующее число отказов возникает по причине предельного роста зазоров в ГРМ и смещения фаз ГРМ. Разработка современных достоверных методик диагностирования ГРМ и их последующее применение позволит исключить значительное число отказов ГРМ.

Таким образом, целью исследования является повышение эффективности диагностирования газораспределительного механизма ДВС по параметрам вибрации, возникающей при работе механизма.

Теоретические исследования

В начале анализа рассмотрим важный вопрос – возможность сравнения сигналов с датчика положения коленчатого вала (ДПКВ) и датчика положения распределительного вала (ДПРВ) относительно друг друга (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение сигналов с ДПКВ и ДПРВ автомобиля ВАЗ-2114

Сравнение сигналов с ДПКВ и ДПРВ относительно друг друга позволяет определить взаимное расположение валов. При этом необходимо иметь точные сведения или эталонную осциллограмму смещение фронтов сигналов. Диагностирование фаз ГРМ данным способом имеет неудовлетворительную точностью, так как наличие тепловых зазоров, износ отдельных деталей привода ГРМ не учитываются.

В современных ДВС в состав электронной системы управления (ЭСУД) входят датчики положения коленчатого вала и, при фазированном впрыске – датчики положения распределительного вала. Наибольшее распространение получили следующие типы датчиков:

• 1)    индуктивного типа, конструкция которых состоит из магнитного сердечника, помещенного в обмотку. Для работы датчика не требуется подача питания. Из-за простоты конструкции является самым распространенным;

• 2)    на основе эффекта Холла. Датчик способен обеспечивать высокую точность измерения во всем диапазоне изменения оборотов вала;

• 3)    оптического типа. Они не получили широкого применения из-за сложных условий работы ДВС (повышенная влажность, пыль и т. д.).

Для работы с датчиками используются кодирующие устройства, выполненные в виде различных задающих дисков, пластин, намагниченных дорожек, специальной формы хвостовой части валов и др.

Рассмотрим сравнение сигналов датчиков на автомобиле Toyota 2GR-FE (рис. 3).

Рис. 3. Сигналы ДПКВ и ДПРВ на автомобиле Toyota 2GR-FE

На рис. 3 (по сравнению с рис. 2) видны кардинальные отличия, которые выражаются в отличии фазовых процессов. В этом и состоит некоторая сложность применения новых методов контроля фаз на различных автомобилях. Практически каждая модель – это новый вариант соотношения фаз между ГРМ и положением коленчатого вала ДВС. А это в свою очередь свой адаптированный алгоритм применения метода диагностирования.

Приведем пример еще одного варианта сигналов ДПКВ и ДПРВ на автомобиле Nissan QG15 (рис. 4).

Рис. 4. Сигналы ДПКВ и ДПРВ автомобиля Nissan QG15

Анализ рис. 4 показывает на существенные фазовые отличия автомобиля Nissan QG15 от приведенных выше рисунков. Помимо этого, информацию о смещении фаз затруднительно найти в свободных источниках.

Рассмотрим теоретические особенности применения нового способа диагностирования ГРМ (рис. 5).

Рис. 5. Схема установки элементов при использовании нового способа диагностирования ГРМ

На рис. 5 представлена схема, где вместо свечи вкручена втулка со стержнем, на конце которого расположен наконечник. Наконечник упирается в поршень, который установлен в положении ВМТ. На конце втулки гайкой прикручен вибродатчик. При помощи вибродатчика реализуется новый способ определения основных неисправностей ГРМ (герметичность сопряжения «клапан–седло», тепловой зазор в приводе клапана, фазы открытия и закрытия клапанов) заключающийся в измерении и анализе виброакустических импульсов, вызванных работой отдельных элементов двигателя. В качестве параметров сигналов используется максимум амплитуды (пик) и момент возникновения виброимпульсов. За опорный сигнал ВМТ поршня исследуемого цилиндра принимается виброимпульс от соударения поршня об упругий наконечник, помещенный в камеру сгорания. Для установки необходимого зазора перед стержнем устанавливается индикатор часового типа (рис. 6).

Рис. 6. Установка зазора индикатором часового типа

С помощью индикатора часового типа ИЧ-10 (рис. 6) были определены фазы ГРМ, построена круговая диаграмма при тепловом зазоре выпускных клапанов 0,35±0,01 мм, выпускных 0,2±0,01 мм.

Подготовка к диагностированию производится в 2 этапа.

• 1.    В исследуемый цилиндр двигателя через свечное отверстие заливается небольшое количество моторного масла (10 мл), после чего коленчатый вал прокручивается стартером 3–5 с. Это позволяет в случае износа ЦПГ уплотнить сопряжение «поршень–гильза» и минимизировать силу удара при перекладке поршня.

• 2.    С помощью щупа (позиция 4) проверяется ход поршня исследуемого цилиндра на соответствие нормативному значению, это позволяет исключить возможные искажения ВМТ поршня, вызванные различными причинами: последствия гидроударов, несоответствие установленного КШМ модели двигателя, измененный объем камеры сгорания в следствии доработки опорной поверхности головки блока цилиндров и др. Для этого в свечное отверстие исследуемого (проверяемого) двигателя вкручивается до упора (момент ≈ 10–15 Н∙м) втулка (позиция 1) совместно со шпилькой (позиция 2) и наконечником (позиция 3). При этом наконечник (позиция 3) своей плоской гранью прижат к торцу (поверхности Б) втулки (позиция 1). В проточку на шпильке (позиция 2) вставляется щуп (позиция 4), который свободно (без заклинивания) перемещается внутри шпильки и наконечника. Щуп (позиция 4) имеет метки, предварительно нанесенные для данной модели двигателя НМТ и ВМТ. Прокручивая коленчатый вал любым удобным способом, поочередно подводим поршень в НМТ и ВМТ, в крайних положениях поршня проверяем совпадение соответствующей метки на щупе (НМТ, ВМТ) (позиция 4) с торцевой поверхностью втулки (позиция 1) (поверхность А). Применение индикатора часового типа, закрепленного на неподвижном штативе, позволяет повысить точность установки крайних положений поршня. После проведения проверки соответствия хода поршня нормативному значению, поршень исследуемого цилиндра, устанавливается ниже ВМТ на 0,01 мм по щупу (позиция 4), что соответствует 1–2 градуса по углу поворота коленчатого вала, далее щуп извлекается из отверстия втулки. Следует отметить, что установка поршня в положении 0,01 мм ниже ВМТ возможна любым другим альтернативным способом, обеспечивающим заданную точность.

Методика экспериментального исследования

При дальнейшей проработке нового метода возникла потребность проведения расчетов для обеспечения безотказного процесса диагностирования. Для чего использовано программное обеспечение – Solid Works Simulation и встроенный в него метод конечных элементов (МКЭ). Метод МКЭ заключается в решении системы уравнений, учитывающих поведение каждого элемента соединения с другими элементами. Эти уравнения связывают используемую модель с известными свойствами материала, ограничениями и нагрузками. Далее программа упорядочивает уравнения в большую систему совместных алгебраических уравнений и находит неизвестные. Для расчета напряжений решающая программа находит перемещения в каждом узле, а затем вычисляет деформации и конечное напряжение.

Исследования проводились на основе нелинейного динамического анализа, так как материал BFlex, из которого изготовлен наконечник, имеет нелинейную зависимость между напряжением и деформацией. При этом нагрузки в некоторых случаях изменяются во время деформирования модели.

Поршень, не доходя до ВМТ 0,01 мм (что соответствует менее 2 град. поворота коленчатого вала), ударяется об упругий наконечник, жестко закрепленный на стальном стержне, и движется с установленной скоростью согласно выполненному кинематическому расчету, при этом общая приведенная масса равна 0,665 кг.

Было принято использовать 2-D упрощение типа плоскостное напряжение, так как силы, действующие по нормали к выбранной плоскости сечения пренебрежимо малы (рис. 8а).

Каждому элементу был применен (назначен) материал, из которого он изготовлен, с соответствующими физическими свойствами. На рисунке 8б показана зависимость скорости движения поршня от величины зазора. Величина зазора была выбрана 0,01 мм с учетом свойств материала BFlex, применяемого при изготовлении наконечника. Из-за очень малого изменения скорости

Гриценко А.В., Шепелев В.Д., Бурцев А.Ю.

при перемещении поршня зададим зависимость перемещения от скорости линейно по двум точкам, соответствующим моменту удара и ВМТ поршня.

• а)                                                        б)

Рис. 8. а) ограничения (зафиксированная геометрия);

• б)    зависимость скорости движения поршня от величины зазора

Выбраны две контактирующие кромки, с условием – «без проникновения» и коэффициентом трения 0,5. На рис. 9 показана схема условий контакта элементов при реализации нового метода диагностирования.

Рис. 9. Условия контакта

На следующем этапе подготовки расчетов нанесем сетку (параболические тетраэдральные твердотельные элементы) (рис. 10).

Рис. 10. Сетка (параболические тетраэдральные твердотельные элементы)

Для проведения расчетов была создана сетка высокого качества в виде параболических тетраэдральных твердотельных элементов, так как они более точно представляют изогнутые границы и производят лучшие математические аппроксимации чем линейные тетраэдральные твердотельные рис. 10. На основе объема и площади поверхности модели был выбран глобальный размер элемента сетки 0,9 мм, при этом в зоне контакта и переходов, сетка имеет более плотную структуру для повышения сходимости результатов.

Результаты расчета представлены на рис. 11.

На рис. 11 показаны напряжения, реализуемые в контакте наконечника с поверхностью поршня при различных скоростях движения поршня. На рис. 11 д и е видно, что образовались предельные напряжения, которые указывают на ограничение прикладываемой нагрузки. По результатам прочностного расчет построена зависимость величин напряжений от частоты вращения коленчатого вала при различной величине заглублении наконечника в сторону поршня рис. 12.

а) 250 мин–1                                     б) 300 мин–1

в) 350 мин–1                                   г) 500 мин

Рис. 11. Результаты расчета в приложении Solid Works Simulation

д) 600 мин-1                                     е) 700 мин-1

Рис. 11. Окончание

Рис. 12. Зависимость величин напряжений от частоты вращения коленчатого вала при различной величине заглублении наконечника в сторону поршня

Красной линией (рис. 12) обозначено предельное значение напряжения, при котором деформации из упругих перетекают в пластические. Из графика (рис. 12) можно сделать вывод, при заглублении наконечника, согласно методике диагностирования, на 0,01 мм ниже ВМТ, при частоте вращения до 600 мин-1 (что больше частоты вращения коленчатого вала при прокрутке стартером), наконечник не испытывает пластические деформации и может быть многократно использован.

Выводы

Разработан новый способ диагностирования ГРМ основанный на контроле виброколебаний элементов ГРМ. Спроектированы и рассчитаны основные элементы приспособления для контроля ГРМ. Установочный зазор между наконечником и поршнем не должен превышать 0,01 мм. Использование диагностического мотор-тестера Diamag 2 совместно с вибродатчиком в качестве средства контроля позволяет повысить достоверность диагностирования ГРМ до 96 %. Использование разработанной методики позволяет исключить внешние влияния и неточности, связанные с изменением геометрии элементов ДВС.