2.2.1. Диагностирование двигателя по эффективной мощности

Колесная мощность автомобиля снижается в процессе экс­плуатации вследствие износа цилиндропоршневой группы, не­исправностей газораспределительного механизма, систем пита­ния, зажигания, охлаждения, смазки, состояния трансмиссии и ходовой части. Величина снижения мощности может дости­гать 10...15 %.

Наиболее полно техническое состояние двигателя определя­ется экспериментально полученной внешней скоростной харак­теристикой. Однако в целях экономии топлива и времени доста­точно снять одну ее точку. Как правило, это либо максимальная мощность, либо мощность на режиме максимального крутяще­го момента.

Для оценки эффективной мощности могут использоваться стенды тяговых качеств (CTK). Они предназначены для ими­тации работы автомобиля в различных скоростных и нагрузоч­ных режимах и измерения тяговых показателей. Конструкция стендов включает опорно-приводные, нагрузочные и изме­рительные устройства. На стендах измеряются колесная мощ­ность, параметры разгона и выбега, а при наличии топливного расходомера — часовой и удельный расход топлива на различ­ных скоростных и нагрузочных режимах. Имитация дорожных условий осуществляется на опорно-приводных устройствах (ОПУ) ленточного или роликового типа. Наибольшее распространение получили одно-, двух-, трех- или четырехроликовые устройст­ва, так как при достаточной простоте их конструкции они обес­печивают сопоставимые условия качения колеса на стенде и на дороге и удовлетворяют условию невыезда автомобиля со стенда при проведении испытаний.

Для автомобилей с колесной формулой 4x2 используются двухроликовые ОПУ (одно под каждое одинарное или сдвоенное ведущее колесо) (рис. 2.3), а для автомобилей с колесной форму­лой 6x4 — трех- или четырехроликовые.

Обычно один ролик (ведущий) связан с нагрузочным устрой­ством, а другой является поддерживающим. Ведущие ролики жестко связаны между собой с помощью валов и фланцевой муф­ты, чтобы обеспечить синхронное вращение ведущих колес. От­сутствие такой связи приведет к тому, что в работу будет вклю­чаться межколесный дифференциал и второе ведущее колесо может просто остановиться. Поскольку в ведущих мостах авто­мобилей используются, как правило, симметричные дифферен­циалы, крутящий момент на первом ведущем колесе тоже сни­зится до нуля. Замер колесной мощности в этом случае будет в принципе невозможным.

5

6 1 5 6 4

Рис. 2.3. Принципиальная схема двухроликового СТК с балансирным

нагрузочным устройством: 1 — ведущий ролик; 2 — поддерживающий ролик; 3 — статор балансирной машины; 4 — ротор; 5 — ведущие колеса автомобиля; 6 — соединительная

муфта

Связанное с ведущими роликами нагрузочное устройство служит для создания нагрузочного и скоростного режимов ди­агностирования путем торможения роликов. Основные типы нагрузочных устройств представлены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Классификация нагрузочных устройств

Все нагрузочные устройства состоят из ротора, соединенного с ведущим роликом, и балансирно-подвижного статора, имею­щего одну степень свободы, т.е. он может вращаться вокруг ро­тора (см. рис. 2.3).

Создание тормозящего момента осуществляется:

• в гидравлическом тормозе за счет затрат энергии на пере­мещение воды между статором и ротором;

• электрическом — за счет электромагнитных сил взаимо­действия между статором и ротором;

• электродинамическом — за счет взаимодействия электро­магнитного поля статора и ротора. Электрические вихревые токи ротора возникают при его вращении в магнитном поле ка­тушек статора.

Увеличение нагрузочного режима достигается большим запол­нением гидротормоза водой (для гидротормозов) или увеличени­ем силы тока статора (для электрических нагрузочных устройств).

Каждое нагрузочное устройство имеет свою внешнюю харак­теристику (рис. 2.5), которая ограничивает возможные поля на­грузок. Если на стенде будут диагностироваться различные автомобили с различными тяговыми усилиями Р_т, то должно использоваться нагрузочное устройство с более широким диапа­зоном нагрузок. При выборе СТК с тем или иным нагрузочным устройством необходимо помимо диапазона режимов учитывать и другие их характеристики:

• приведенную мощность для рассматриваемых нагрузочных устройств, определяемую отношением максимально поглощае­мой мощности к их массе;

• приведенную стоимость нагрузочного устройства, опреде­ляемую отношением его стоимости к максимальной мощности;

• возможность прокручивания ведущих колес стендом для измерения потерь мощности в трансмиссии;

• надежность работы нагрузочного устройства;

• экономичность в эксплуатации.

Рис. 2.5. Внешняя характеристика нагрузочных устройств: 1 — электродинамический тормоз; 2 — электрический тормоз постоянного тока; 3 — гидравлический тормоз; 4 — электрический тормоз

переменного тока

Измерение тормозящего момента на СТК осуществляется с помощью измерительных устройств. Поглощаемая, или ко­лесная, мощность N_K равна

N_K = МрЮр / ц_с ,

где М_р — тормозящий момент на ролике, Н- м; ю_р — частота вра­щения ролика, с^-1; Т)_с — КПД стенда.

Частоту вращения определяют, используя один из датчиков частоты вращения. Для определения крутящего момента исходят из следующих предположений. Под действием электромагнитных сил или рабочей жидкости в гидротормозе статор 1 стремится повернуться в направлении вращения ротора 2 (рис. 2.6). Сила действия Р_р и плечо ее приложения г неизвестны. Для остановки статора к нему на плече I прикладывают уравновешивающую силу R. Статор будет поворачиваться до тех пор, пока уравнове­шивающий момент от измерительного устройства стенда (R ■ I) не станет равен моменту от сил взаимодействия статора и ротора (Рр Г).

Рис. 2.6. Схема сил в балансирном тормозе

Плечо I задается конструкцией стенда (иногда принимается равным 1 м), а силу R измеряют с помощью датчика давления, пьезоэлектрических датчиков, маятниковых или квадратных динамометров. Например, маятниковый динамометр (рис. 2.7) представляет собой двуплечий рычаг, к плечу а которого при­кладывается измеряемая сила R, а на плече b устанавливается уравновешивающий груз известного постоянного веса Q. Рычаг поворачивается до момента уравновешивания, для которого можно записать

R a cosa = Q b sina. (2.1)

Откуда

„ ^bsina .6,

R = Q = Q-tga.

acosa a

Вес груза Q,bvia известны и постоянны для каждого стенда. Таким образом, измеряемое усилие R пропорционально тангенсу угла отклонения маятника. Поэтому по углу поворота двуплечего рычага, указываемого стрелкой 3 на шкале 4, оценивают силу R и, с учетом длины плеча I , момент М_р. Далее по формуле (2.1) определяют колесную мощность.

4 — шкала динамометра

При диагностировании необходимо, чтобы двигатель был Прогрет, т.е. температура охлаждающей жидкости должна быть 75...85 °С.

Косвенную оценку мощностных параметров двигателя дают бестормозные методы. Они основаны на использовании в ка­честве нагрузки двигателя механических потерь, возникающих при отключении цилиндров, или сил инерции движущихся масс Двигателя при разгоне коленчатого вала от частоты вращения холостого хода до максимальной.

При поочередном отключении i цилиндров измеряют частоту вращения холостого хода двигателя. Выключенные цилиндры нагружают двигатель за счет компрессирования в них топливно- воздушной смеси. Чем ниже мощность, развиваемая цилиндром, тем меньше изменяется частота вращения при его отключении:

ACOj = СЙц -со_;,

где со_н — начальная частота вращения, с^-1; СО; — частота враще­ния коленчатого вала при отключении i-ro цилиндра, с^-1.

При использовании инерционных масс двигателя быстро пе­ремещают рычаг управления топливоподачей от минимального до максимального положения и оценивают интенсивность раз­гона коленчатого вала. Чем быстрее осуществляется разгон, тем выше эффективный крутящий момент. При измерениях авто­мобиль с включенным стояночным тормозом и подсоединенным вентиляционным отсосом отработавших газов должен находить­ся на горизонтальной площадке.

На этом принципе основаны приборы типа ИМД-2. Так как при работе на всех цилиндрах и полной топливоподаче ускоре­ние превышает 200 с^-2, наблюдается существенная деформация рабочего цикла. Поэтому метод дополняют отключением части цилиндров.

Параметры вибрации и шума тоже содержат большое ко­личество информации о техническом состоянии различных эле­ментов двигателя. При его работе создается широкий спектр звуковых колебаний, которые прослушиваются в определенных местах двигателя (рис. 2.8). Звуковые колебания возникают вследствие стуков коренных и шатунных подшипников, порш­невых пальцев, поршней, вибраций клапанов, колебания газов во впускном и выпускном трубопроводах, соударения различ­ных деталей, трения в подвижных соединениях.

Стуки клапанов возникают при увеличении тепловых зазо­ров и хорошо прослушиваются на прогретом двигателе на ма­лых оборотах. Стуки поршневых пальцев возникают при зазоре между пальцем и втулкой головки шатуна или отверстия для пальца в бобышке поршня, превышающем 0,1 мм. Они хорошо слышны при резкопеременном режиме работы прогретого дви­гателя: это резкий металлический звук, пропадающий при вы­ключении зажигания. Стуки поршня проявляются при износе поршня и цилиндра при недостаточно прогретом двигателе на частоте вращения холостого хода. Характер стука — сухой, щел­кающий, уменьшающийся по мере прогрева двигателя. Стуки коренных и шатунных подшипников возникают при зазорах бо­лее 0,1...0,2 мм и хорошо прослушиваются на прогретом двигате­ле. Характер стука — сильный, глухой, низкого тона. У шатун­ных подшипников — более резкий и звонкий, чем у коренных. Особенно явно стуки слышны при резком изменении частоты вращения коленчатого вала и практически исчезают при отклю­чении зажигания (топливоподачи у дизелей).

Для оценки стуков применяются стетоскопы или стетофонен- доскопы. Однако оценка технического состояния двигателя с их помощью является приближенной, зависящей от личного опыта механика, и не дает количественной оценки износов. Поэтому Целесообразно использовать более современные виброакустиче­ские методы контроля работоспособности. Они предполагают полу­чение амплитудно-частотных характеристик шумов и их анализ. Максимальная амплитуда виброимпульсов и моменты их появ­ления содержат информацию о зазорах в сопряжениях и о пара­метрах их работы. При этом используют два метода разделения сигналов спектра: временной и частотный.

При временном методе положение каждого сигнала отлича­ется от положения последующего на некоторую величину вре­мени и синхронизируется с каким-либо опорным событием, происходящим в механизме (например, положение поршня пер­вого цилиндра в верхней мертвой точке, момент зажигания или впрыска). Выделение интересующих импульсов осуществляет­ся с помощью стробатора — прибора, пропускающего через себя сигнал только в определенные промежутки времени.

При частотном методе сигналы от различных элементов должны отличаться частотой или периодом их следования. Для их выделения используют частотные фильтры.