Повышение надежности электромеханической системы автомобильного генератора
На правах рукописи
ШЛЕГЕЛЬ Алексей Олегович
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА
Специальность 05.09.01 – «Электромеханика и электрические аппараты»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Самара – 2006
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тольяттинского государственного университета на кафедре «Автотракторное электрооборудование»
Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор
Шлегель Олег Александрович
Тольяттинский государственный университет
сервиса
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор
Абакумов Александр Михайлович
Самарский государственный технический
университет
Кандидат технических наук, доцент
Шляпкин Андрей Владимирович
Тольяттинский государственный университет
сервиса
Ведущая организация: ОАО «АВТОВАЗ» г. Тольятти
Защита диссертации состоится «_15_»_ноября_ 2006 г в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, СамГТУ, Главный корпус, ауд.200
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СамГТУ.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенной печатью) просим направлять по адресу: 443 110, г. Самара, ул. Молодогвардейская 244. СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (8462) 78-44-00; е-mail: [email protected]
Автореферат разослан «_14_»_октября_2006 г.
Учёный секретарь диссертационного
совета Д 212.217.04
кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие производства и эксплуатация автомобилей показывают, что улучшение их технических характеристик, комфортабельности, безопасности связано с повышением надежности и эффективности системы электроснабжения (СЭС) автомобиля.
Повышение показателей эффективности, надежности СЭС, состоящей из аккумуляторной батареи, электрической генераторной установки (ЭГУ), регулятора напряжения, устройства контроля – одна из важнейших задач по улучшению работы и повышению конкурентоспособности автомобилей.
По экспертным оценкам надежности системы электрооборудования автомобилей семейства ВАЗ-2110 в гарантийный период эксплуатации, достаточно большой относительный процент рекламаций, равный 11,8 %, приходится на ЭГУ.
Основными причинами выхода ЭГУ из строя являются превышение максимальной частоты вращения, вибрации, ударные ускорения, вызывающие механические неисправности ротора и механизмов крепления – подшипников, шкива, элементов щеткодержателя; перенапряжения, повышения напряжения и тока нагрузки, вызывающие электрический пробой изоляции, межвитковые замыкания катушки возбуждения, обмотки статора.
Повышение интенсивности эксплуатации автомобилей, внедрение электронной системы управления двигателем внутреннего сгорания, электронного управления СЭС, комбинированных энергоустановок снижает ресурс работы ЭГУ, вероятность безотказной работы (ВБР).
Необходимо дальнейшее исследование влияния многократных пусковых и перегрузочных режимов, повышений напряжения, тока на надежность механической системы и электромагнитной системы (МС и ЭМС) ЭГУ, что определяет научную актуальность диссертационной работы.
При разработке новых моделей ЭГУ ф. Lucas (Англия), ф. Valeo (Франция), ф. Bosch (Германия), ф. Motocraft, Deko (США), Mitsubishi, Hitachi (Япония), ОАО АВТОВАЗ и др. учитываются динамические воздействия. В НТЦ ОАО АВТОВАЗ (г.Тольятти, Россия) и ряде других предприятий ведется разработка гибридной энергоустановки, в которой используется индукционно-динамическая или асинхронная электрическая машина в качестве ЭГУ и стартера двигателя. На экспериментальных автомобилях ф. Honda – FCX (Япония), Rover – MG (Англия) установлены комбинированные ЭГУ. Динамические воздействия на МС и ЭМС увеличиваются, что подтверждает актуальность исследования динамических свойств.
Основными направлениями повышения ВБР ЭГУ является выбор параметров МС и ЭМС с учетом особенности работы в динамических режимах. Не исследована зависимость изменения параметров надежности от уровня деформаций.
Разработка моделей МС и ЭМС ЭГУ, методов и устройств контроля значимых диагностических параметров для повышения уровня надёжности, ВБР и вибродиагностики, снижения затрат на обслуживание и ремонт определяет практическую актуальность диссертационной работы.
Цель диссертационной работы - повышение надёжности механических и электромагнитных устройств генератора за счёт корректировки характеристик и параметров по результатам теоретического и экспериментального исследования статических и динамических режимов, показателей работы.
В соответствии с целью задачами диссертационной работы являются:
1. анализ методов оценки ВБР, ресурса работы с учетом динамических режимов генератора, методов моделирования электромагнитных, электрических и механических процессов, средств испытания и вибрационной диагностики ЭГУ, существующих методов оценки надёжности;
2. исследование переходных процессов, перегрузочных режимов и влияния параметров МС и ЭМС генератора на их протекание, определение систематической и случайной погрешности для оценки доверительного интервала измерения индуктивной, емкостной составляющей полного электрического сопротивления, спектральных характеристик вибрации;
3. разработка математической модели МС и ЭМС для оценки реакции на исследовательский механический и электрический импульс и определения вероятных отклонений параметров и деформаций элементов генератора; разработка регрессионной модели МС и ЭМС при испытании коммутационным механическим и электрическим импульсом для определения показателей надёжности элементов генератора при ресурсных ускоренных испытаниях в форсированных режимах;
4. разработка алгоритмов определения показателей надежности, прогнозирования виброреологических процессов изменения параметров ЭГУ;
5. разработка экспериментальной установки для проведения исследования ЭГУ в динамических и форсированных режимах, испытания методом исследовательских импульсов; практические рекомендации по корректировке конструктивных параметров МС и ЭМС, по разработке элементов устройств управления и контроля ЭГУ, предотвращающих выход из строя, повышающих надёжность.
Объект исследования: МС и ЭМС ЭГУ отечественного и зарубежного производства.
Предмет исследования: математические, регрессионные модели МС и ЭМС, методы и алгоритмы определения показателей надежности в зависимости от изменения диагностируемых параметров при ресурсных, форсированных испытаниях, в динамических эксплуатационных режимах, устройства управления и диагностики ЭГУ.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались:
– методы теории линейных электрических цепей, переходных процессов;
– статистические и численные методы математического анализа, регрессионный анализ, интегральное преобразование Фурье;
– методы теории надежности, планирования эксперимента;
– оценка адекватности разработанных математических моделей производилась сравнением расчётных и экспериментальных данных;
– оценка погрешности производилась составлением структурных схем погрешности измерительных каналов, передаточных функций каналов измерения, доверительных интервалов измеряемых величин.
Методологическая и теоретическая основа исследования.
Теоретическую основу исследования составили работы отечественных и зарубежных ученых в области математического моделирования МС и ЭМС электрических машин – М.П. Костенко, Л.М. Пиотровского, А.И. Важнова, А.А. Горева, А.И. Вольдека и др.; в области разработки, испытаний и автомобильной электроники – А.С. Акимова, В.В. Литвиненко, А.Д. Борца, В.Е. Ютта, А.Х. Синельникова, Ю.П. Чижкова, Х. Сига, С. Мидзутани, Т. Росса и др.; в области динамических измерений и регистрации – В.А. Грановского, А.А. Харкевича, А.С. Немировского, Д. Хофмана, и др.; в области теории надежности, диагностики, прогнозирования – А.С. Проникова, П.П. Пархоменко, Л.Г. Евланова и др.
На защиту выносятся:
1. комплекс математических моделей МС и ЭМС генератора, позволяющие по реакции обмоток на испытательный механический и электрический импульс за счет учета упругих, колебательных элементов трения, демпфирующих связей механических частей, емкостных и индуктивных связей между обмотками определять начальные деформации;
2. регрессионная модель и методика определения показателей надежности с учетом изменения параметров генератора по результатам многократных динамических воздействий при проведении ресурсных испытаний;
3. уровни допустимых изменений параметров и деформаций МС и ЭМС в части влияния на показатели надежности ЭГУ;
4. принципы построения и устройства прогнозирования технического состояния и ресурса работы МС и ЭМС ЭГУ;
5. практические рекомендации по корректировке конструктивных параметров МС и ЭМС, по разработке элементов управления и контроля, предотвращающих выход из строя и повышающих надёжность генератора.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования:
– на основе анализа особенностей работы ЭГУ в динамических режимах предложен комплексный подход к повышению надежности МС и ЭМС генератора за счет корректировки конструктивных параметров, контроля и диагностики при ресурсных форсированных испытаниях и эксплуатации;
– на основе исследования стационарных и динамических режимов генератора предложена математическая регрессионная модель, отличающаяся от известных функциональной связью между механическими и электромагнитными параметрами ЭГУ в переходных процессах и параметрами надежности;
– разработана математическая модель механической и электромагнитной системы ЭГУ при его испытании коммутационными импульсами, отличающиеся от известных учётом высокочастотных составляющих и позволяющая по реакции механических узлов, электрических обмоток генератора на испытательный импульс определять деформации механических подсистем, электрических обмоток статора, катушки возбуждения;
– предложена методика определения показателей надёжности МС и ЭМС ЭГУ по результатам ресурсных испытаний; методика корректировки конструктивных параметров МС и ЭМС, алгоритмы работы устройств управления и контроля, предотвращающих выход из строя и повышающие надёжность генератора;
– выявлены законы распределения вероятности основных показателей надёжности генератора, получены их графики распределения.
Практическая значимость исследования:
– разработана регрессионная модель функциональной связи между механическими, электромагнитными параметрами и показателями надежности, позволяющая определять ресурс работы ЭГУ;
– рекомендовано выполнять упругие, колебательные, демпфирующие элементы, элементы трения подшипникового узла, щеткодержателя, крепления и межобмоточную, межкорпусную изоляцию с учетом многократных динамических и вибрационных воздействий;
– разработаны алгоритмы работы устройств управления и контроля, предотвращающих выход из строя и повышающие надёжность генератора;
– предложены практические рекомендации по корректировке конструктивных параметров МС и ЭМС, разработке элементов управления и контроля, предотвращающих выход из строя и повышающие надёжность ЭГУ.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечены соблюдением методологических принципов системного подхода к изучению проблемы, применением комплекса методов исследования, соответствующих объекту, цели, задачам и логике исследования.
Реализация результатов работы.
Разработки выполнены на кафедре «Автотракторное Электрооборудование» Тольяттинского государственного университета, в Бюро программного обеспечения Производственного Технологического Оборудования Конструкторского Отдела Систем Управления Сварочного оборудования и Специальных Устройств ОАО АВТОВАЗ для проекта ВАЗ 2123.
Результаты диссертационной работы используются в учебно-методическом обеспечении дисциплин «Испытание электрооборудования автомобилей и тракторов», «Эксплуатация и ремонт электрооборудования автомобилей и тракторов», «Надёжность электрооборудования автомобилей и тракторов» для студентов специальности 1808.00 «Электрооборудование автомобилей и тракторов».
Апробация работы. По материалам диссертации сделаны доклады на международной научно-технической конференции «Перспективы развития автомобильного транспорта», МГТУ “МАМИ” (Россия, Москва, 2002г), 7-й всероссийской научно-технической конференции МГУС (Россия, Москва, 2002), научно- технической конференции "Новые технологии в промышленности, экономике и социально-культурной сфере" (Россия, Тольятти, 2000 г.), научно – технической конференции «Технический ВУЗ – наука, образование и производство в регионе» (Россия, Тольятти, 2002 г.).
Результаты работы обсуждались на научном семинаре кафедр «Автотракторное электрооборудование» Тольяттинского государственного университета; кафедры «Прикладная математика и информатика» Тольяттинской государственной академии сервиса.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 27 работ, из которых научных статей – 10, тезисов докладов – 17.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения. Основная часть работы изложена на 177 страницах, включает 49 рисунков, 31 графиков и библиографию из 141 наименования, приложения на 3 страницах.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи научных исследований, дана краткая характеристика работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведён анализ средств и методов испытания, оценки надёжности системы электроснабжения автомобилей.
Анализ литературных источников, трудов А.С. Акимова, В.В. Литвиненко, А.Д. Борца, В.Е. Ютта, А.Х. Синельникова, Ю.П. Чижкова, Х. Сига, С. Мидзутани, Т. Росса показал, что большинство применяемых методов и средств испытания СЭС автомобиля требуют технического обслуживания для сохранения их точности и функциональных возможностей. Существующие технические характеристики испытательных приборов, диагностических стендов, не позволяют выполнять ряд исследовательских испытаний; бортовые системы автомобиля не контролируют работоспособность устройств СЭС; ВБР, интенсивность отказов, параметры потока отказов не определяются, что не позволяет комплексно оценивать надёжность.
Для повышения технико-экономических показателей ЭГУ необходимо разработать методы форсированных испытаний и устройства управления испытаниями, предотвращающие преждевременный выход генератора из строя. Для комплексной оценки надёжности необходима разработка методики определения ВБР, интенсивности отказа и наработки до отказа.
Основы динамических измерений, разработанные российскими учеными В.А. Грановским, А.А. Харкевичем, Б.А. Школьником, зарубежными учеными Д. Хофманом, В. Гитом, Х. Даллманом позволяют выполнить разработку алгоритмов и методических вопросов определения вероятных отклонений параметров МС и ЭМС генератора.
Вторая глава представлена результатами теоретических исследований переходных процессов в ЭГУ, определения технического состояния методом дефектографирования – определения реакций МС и ЭМС ЭГУ на исследовательский механический и электрический импульс.
Задача повышения достоверности определения повреждений решена путем разработки математических моделей МС и ЭМС ЭГУ в динамических режимах. Механические и электромеханические деформации зависят от температурных, упругих силовых воздействий.
МС исследуемого генератора представлена в виде корпусных деталей (статор с сердечником, передняя и задняя крышка корпуса, ротор с подшипниками, шкив, вентилятор, кольца и щетки со щеткодержателем), как абсолютно жёстких тел, связанные между собой упругими элементами, моделирующими работу узлов крепления. Допущения: корпусные детали являются абсолютно жёсткими телами; их движение осуществляется за счёт деформации в узлах крепления; деформации являются упругими и подчиняются закону Гука; силы, действующие на МС - это вес узлов, силы вращения, вибрации ДВС и создаваемые ими моменты; движения узлов являются перемещениями и поворотами.
На расчетной схеме замещения механической подсистемы «генератор – трансмиссия - ДВС – моторный отсек кузова» в координатной плоскости 
при ресурсных форсированных испытаниях, в динамических эксплуатационных режимах (рис.1) обозначено: О1, О2,..., О5, О6 – соответственно, центры тяжести генератора и шкива, трансмиссии и шкива, ДВС, кузова автомобиля. Положение центров тяжести определены обобщёнными координатами 
, 
, 
, 
, 
, где
и 
– горизонтальные перемещения центра тяжести 
го узла от соответствующего положения равновесия, 
– вертикальные перемещения центра тяжести, а 
, 
– углы поворота вокруг центра тяжести.
Возможные перемещения в плоскости 
: 1. Подшипники – горизонтальное перемещение 
; вертикальное перемещение 
; поворот 
. 2. Корпус– горизонтальное перемещение 
; вертикальное перемещение 
; поворот 
относительно ДВС. 3. Шкив с клиновым ремнем – вертикальное перемещение 
; поворот 
. 4. Ротор – горизонтальное перемещение 
.
Уравнения равновесия по принципу возможных перемещений:
, (1)
где 
вариация потенциальной энергии системы; 
потенциальные силы; 
возможные перемещения. Система уравнений равновесия подсистемы «Ротор - статор с крышками – ДВС» в плоскости 
в матричной форме:
C U = P, (2)
где C матрица жёсткости; U - матрица-столбец перемещений; P -матрица-столбец нагрузки.
U = 
; P = 
; С = 
. (3)
Моделирование МС ЭГУ в динамических режимах в части изменения параметров упругих элементов узлов крепления и опор, параметров подшипникового узла генератора (элементы матрицы жесткости упругих элементов) необходимо для оценки вероятных деформаций.
Определение вероятных деформаций выполнялось по результатам вибрационной диагностики. Это необходимо для оценки, контроля, прогнозирования изменения параметров в процессе эксплуатации, при определении параметров надежности МС генератора.
Рис. 1. Схема замещения механической подсистемы «генератор – трансмиссия ДВС – моторный отсек кузова» в координатной плоскости 
При испытании генератора 94.3701, 37.3701 на экспериментальной установки выделено пять режимов работы, разработана методика исследований и оценки полученных результатов для трех статических и двух динамических режимов работы генераторной установки.
В статическом режиме работы контролируются собственные вибрации работающего генератора по второму режиму и работающей экспериментальной установки по третьему режиму, при динамических режимов работы оцениваются импульсные воздействия по четвертому режиму и ударные воздействия по пятому режиму, передаваемые работающему генератору от экспериментальной установки.
Рис. 2. Структурная схема механической системы узлов моторного отсека и генератора 94.3701 для динамических режимов: а) M1 – масса моторного отсека; M2 – масса ДВС; M3 – масса генератора; M4 – масса щеточного узла (щеткодержателя); M5 – масса подшипникового узла переднего; M6 – масса щеточного узла; M7 – масса подшипникового узла заднего; M8 – масса ротора; б) -алгоритм проверки адекватности математической модели динамического режима с использованием переходных характеристик (ММ- математическая модель)
Расчетная схема МС генератора 94.3701 для пяти статических и динамических режимов (рис.2) составлена на основе расчетной схемы замещения механической системы «генератор со шкивом – ДВС – ведущий шкив на коленчатом валу – корпус моторного отсека» (в плоскости YOZ) при ресурсных испытаниях в статических и динамических режимах (рис.1).
Система уравнений для коэффициентов передачи для расчетной схемы МС генератора 94.3701 по первому режиму испытаний:
(4)
Система уравнений движения для расчетной схемы механической системы генератора 94.3701 для пятого режима:
(5)
В частности получено: для пятого режима при снижении затяжки щеточного узла Р3 на 38% коэффициент передачи k34 увеличился на 9%; в четвертом режиме при снижении затяжки Р4 щеточного узла на 10% после ресурсных вибрационных испытаний значения коэффициента передачи k44 увеличилось на 3%, амплитудное значение A44() АЧХ увеличилось на 12%, коэффициент затухания 44 уменьшается на 10%, постоянная времени T44 увеличилась на 11%; при снижении величины затяжки Р5 щеточного узла на 10% в пятом режиме коэффициент передачи k54 увеличился на 5%, амплитудное значение АЧХ увеличилось на 11%, коэффициент затухания 54 уменьшается на 11%, постоянная времени T54 увеличилась на 8%.
Значения критерия Стьюдента t параметров АЧХ звена Ai() для узлов автомобильного генератора 94.3701 приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Значения критерия Стьюдента t параметров амплитудочастотных характеристик звена Ai()для узлов автомобильного генератора 94.3701 (В)
| Экспериментальные (Aэ100, Aэ50, Aэ0) и расчетные (Aр100, Aр50, Aр0) значения амплитуд АЧХ звена A() по математической модели механической системы вибростенда и узлов автомобильного генератора 94.3701 для динамических режимов | |||||||||
| ТС2 (щетки) | ТС3 (корпус) | ТС4 (подшипник) | ТС5 (крепление) | ||||||
| До испытаний | |||||||||
| Aэ100 | Aр100 | 0,7 | 0,62 | 0,63 | 0,56 | 0,82 | 0,73 | 0,92 | 0,83 |
| ta100 | 3,245 | 3,468 | 3,687 | 3,867 | |||||
| После 50% длительности испытаний | |||||||||
| Aэ50 | Aр50 | 0,72 | 0,65 | 0,64 | 0,58 | 0,84 | 0,76 | 0,95 | 0,87 |
| ta50 | 5,124 | 5,382 | 5,543 | 5,682 | |||||
| После ресурсных виброиспытаний | |||||||||
| Aэ0 | Aр0 | 0,78 | 0,61 | 0,66 | 0,51 | 0,81 | 0,72 | 0,91 | 0,81 |
| ta0 | 7,325 | 7,653 | 7,691 | 7,854 | |||||
Передаточные функции звеньев для расчетной схемы (рис.2) генератора 94.3701 для пятого режима:
(6)
На основании расчетных и экспериментальных исследований получено, что при снижении на 10% величины затяжки щеточного узла автомобильного генератора после ресурсных виброиспытаний по пятому режиму коэффициент передачи увеличивается на 5%, амплитуда АЧХ узла увеличилась на 11%, а коэффициент затухания 
i уменьшается на 11%, постоянная времени переходного процесса по пятому режиму T4i увеличилась на 8%.
При проверке адекватности математической модели получено, что при увеличении амплитуды АЧХ звена Ai() для щеточного узла генератора 94.3701 на 11%, значение критерия t - Стьюдента увеличивается на 56% адекватность математической модели резко нарушается. Это связано с тем, что происходит изменение параметров конструкции генератора после ресурсных виброиспытаний.
В математической модели ЭМС генератора (рис.3) не учитываются: механические параметры, колебания и демпфирование, упругие элементы, трение элементов МС генератора; взаимная индуктивность между цепью обмотки статора и цепью обмотки возбуждения генератора; вихревые токи контуров; изменение характеристик ЭМС генератора при тепловом и вибрационном воздействии.
Рис. 3. Схема замещения ЭМС генератора при ресурсных испытаниях
В расчетной схеме замещения ЭМС генератора при ресурсных испытаниях: РН – регулятор напряжения; ES.A– ЭДС источника питания; RОВ, RС.ПР.ОВ, RС.ПР.Ф1, RС.Д1, RФ1, RФ1, RН, RН, ROB, RД1 – активное сопротивление соответственно обмотки возбуждения, параллельных ветвей обмотки статора; LOB, LФ1, LФ1, LФ2, LФ2, LФ1, LФ2, LФ3, LН, LСН – индуктивность рассеяния обмотки возбуждения, трехфазных ветвей обмотки статора; RД.А – обратное сопротивление диода выпрямительного моста; EФ.1 и EФ.2, EФ.3 – ЭДС ветвей обмотки статора.
Системы дифференциальных уравнений подачи импульса на ЭМС генератора (рис.3) в матричной форме:
(7)
где 
- матрица-столбец заданных напряжений, 
- матрица-столбец токов, 
, 
- квадратная матрица коэффициентов; i =1,2, …,7; j = 1,2, …,7.
Решение уравнения (7):
, (8)
где 
- матрица проводимостей gij соответствующих ветвей.
Математическая модель ЭМС позволяет определить изменения емкостного сопротивления, индуктивности обмоток ЭМС генератора, определить индуктивную составляющую полного входного сопротивления ЭМС генератора.
Установлена ранее неизвестная взаимосвязь параметров деформации и ВБР межвитковой изоляции обмоток статора, возбуждения на основе полученного закона распределения вероятности Вейбулла пробивного напряжения и закона Пуассона распределения вероятности приложенного межвиткового напряжения при многократных воздействиях вибрации в переходных режимах, при форсированных ресурсных испытаниях, оказывающая негативное влияние, что является научно-техническим результатом для применения при разработке обмоток комбинированных электроустановок автомобилей.
Точность получаемых расчетных значений индуктивного сопротивления генератора 37.3701 в переходном режиме для доверительной вероятности = 0,9 и квантиля распределения вероятности t=1,569 определяется половиной длины доверительного интервала = 0,13 мГн. Разработаны расчётные схемы замещения, соответствующие неисправностям генератора: межвитковое замыкание обмоток, обрыв в обмотках, замыкание проводников обмоток на массу, замасливание коллекторных пластин. Регрессионная зависимость модели надежности - процесса возникновения отказов узлов генератора (интенсивность отказов - L элементов параллельной ветви; Тср.мин- средняя наработка до первого отказа; и другие единичные и комплексные параметры надежности) в зависимости от изменений параметров МС и ЭМС представлена в виде системы уравнений.
Для определения показателей надежности при ресурсных форсированных испытаниях разработаны следующие группы переменных i: 1. Возможные перемещения подшипников и узлов крепления при механических воздействиях (параметры перемещений - v 1, v 2, …, v i,....); 2. Вероятные перемещения деталей корпуса при воздействиях ( у1, у2, …., уi,....); 3. Виброреологические характеристики генераторного и приводного шкива ДВС с клиновым ремнем (z1, z 2,..., z i,...); 4. Виброреологические характеристики и вероятные перемещения ротора генератора (p1, p2,..., pi,...); 5. Виброреологические характеристики и вероятные перемещения вентилятора с упорной втулкой; 6. Виброреологические характеристики и вероятные перемещения элементов щеткодержателя и электрических щеток (m1, m 2,..., m i,....).
Регрессионная зависимость модели - зависимость переменной частоты отказа 1 - щеткодержателя, 2 - электрических щеток переменных I :
, (9)
где a1, a2, …, a7, a8 – коэффициенты регрессионной модели, – параметр жесткости щеткодержателя (в относительных единицах). Данные получены при обработке результатов форсированных ресурсных испытаний генератора 94.3701 на специализированном вибрационном стенде при выполнении измерений вибраций щеткодержателя генератора:
(10)
На рис. 4, а представлена регрессионная зависимость для модели надежности переменной i. Элементы матрицы жёсткости Сii подсистемы «Ротор - элементы щеткодержателя и электрических щеток - статор с крышками – ДВС – моторный отсек» в координатной плоскости 
. По вертикальной оси в относительных единицах указана частота отказа i щеткодержателя, по горизонтальной оси – параметр жесткости щеткодержателя (в относительных единицах). Точками показаны результаты измерения, а пунктирной – регрессионная зависимость модели. Данная кривая (рис.4, а) - регрессионная модель частоты отказа 1 щеткодержателя имеет максимум при значении параметра жесткости щеткодержателя в пределах 1,5 – 1,8, имеет нелинейную форму и возрастающую характеристику.
Рис. 4. Регрессионная зависимость для модели надежности переменной i
На рис.4, б приведен график зависимости переменной частота отказа 1 - щеткодержателя; 2 - электрических щеток (1, 2 – положительная, отрицательная щетка) переменных i Элементы матрицы жёсткости подсистемы «Ротор - элементы щеткодержателя - статор с крышками – ДВС – моторный отсек» в координатной плоскости 
в зависимости от -параметра жесткости для генератора 37.3701.
Аналогично получены регрессионные уравнения для ряда других механических подсистем. Разработанные математические модели позволяют исследовать МС и ЭМС.
В третьей главе разработана методика определения надёжности элементов системы СЭС при форсированных и ресурсных испытаниях коммутационными импульсами. Алгоритм определения показателей надёжности позволяет прогнозировать надёжность работы элементов СЭС.
На основе метода случайного баланса составлены матрицы планирования эксперимента, выделены доминирующие факторы - температура, амплитуда коммутационного импульса, момент на валу. ВБР генератора:
(11)
Диапазоны варьирования: на нижнем уровне (-1) М = 5 Нм, UК.И =12В и t° =25°С; на верхнем уровне (+1) М =13 Нм, UК.И = 24В и t° = 50°С.
При ресурсных форсированных испытаниях коммутационными импульсами в условиях ограниченной выборки оценка надёжности выполнена на основе расчёта изменения жесткости узла крепления узлов ЭГУ.
В четвёртой главе приведены разработанные элементы и устройства измерительной техники и систем управления ресурсными и форсированными испытаниям генератора. Разработана экспериментальная установка - стенд (рис. 5) испытаний ЭГУ с вентильным электрогенератором 94.3701, 37.3701 для автомобилей ВАЗ–2110, 2109, 21213, АЗЛК–214201-10; с вентильным электрогенератором Г 222 для автомобилей ВАЗ–2107, 2105, ЗАЗ–1102.
Рис. 5. Электрическая схема стенда для исследования МС и ЭМС автомобильного генератора в динамических режимах при ресурсных форсированных испытаниях
Стенд содержит коммутационный аппарат 18, датчик 19 напряжения сети,
асинхронный генератор, датчик 4 тока, датчик 5 частоты вращения вала, датчик 6 нагрузочного момента, систему 7 импульсно-фазового управления, корректирующее устройство 8, переключающее устройство 10, блок 11 управления частотой, задатчик 12 канала частоты вращения, блок 13 управления. При математической обработке измерительных сигналов задается величина доверительной вероятности Рд, объем выборки – n.
Цензурирование выборки с использованием таблиц вероятности крайних членов вариационного ряда и с учетом граничного значения коэффициента цензурирования
. (12)
Аналогичные результаты получены для регистрирующих и измерительных каналов устройств - осциллографы типа НО23, Н-115, Н-117, серии HP 54600; АЦП; датчики с интерфейсными модулями с портами HP-IB (КОП), RS-232/ Centronix. При ресурсных испытаниях на стенде (рис.5) ЭГУ с вентильным электрогенератором 94.3701, 37.3701 для автомобилей ВАЗ–2110, 2109, 21213 определялись диагностические параметры механической системы. Сигналы, характеризующие неравномерность вращения и виброскорость механических узлов, определялись при регистрации вибраций с использованием тензосопротивлений и тензометрического усилителя типа ТА–5. Спектр вибраций на рис. 6, а соответствует случаю нормальной затяжке элементов крепления узлов задней крышки; - 6, б затяжка элементов крепления снижена на 50 %. Сравнение результатов определения изменения виброхарактеристик ЭГУ 37.3701 (график теоретической оценки изменения спектра вибрации х и фактическое его изменение х1 вибраций крепления щеточного узла генератора 37.3701.
Рис. 6. Результаты определения изменения виброхарактеристик крепления щеточного узла и регулятора напряжения ЭГУ 37.3701: а - при нормальной затяжке; б - 50 % -затяжке ( --- расчетные значения )
Интенсивность изменения вибраций при снижении затяжки крепления на 50%- 100 % в пределах 24% - 75 %. При снижении затяжки отличие теоретических и экспериментальных данных амплитуд х вибраций и интенсивности увеличивается на 25% - 45%.
Анализ спектра вибраций задней крышки с щеточным, выпрямительным узлом и регулятором напряжения генератора 37.3701 при нормальной затяжке элементов крепления показывает отличие экспериментальных данных и расчетных (теоретических) данных математической модели МС в сторону увеличения амплитуд вибраций от 28% до 87 % для частот 2,0 - 4,0 кГц. Для непрерывного контроля системы СЭС разработано устройство (БУНК), принцип действия которого основан на последовательном опросе элементов входящих в систему и сравнительном анализе поступающих сигналов.
Получены показатели надёжности элементов СЭС автомобиля ВАЗ-2110, построены графики изменения показателей надёжности МС и ЭМС генератора; выполнена оценка надёжности; определены характеристики.
Разработаны предложения по модернизации конструкции для повышения ВБР ЭГУ.
В заключении представлены результаты диссертационной работы, возможные области их использования.
основные результаты работы
1. Анализ повреждаемости узлов ЭГУ показал, что механическая и электромагнитная система являются наиболее нагруженными в части динамических воздействий, что определяет надёжность СЭС.
2. Разработанная математическая модель МС, отличающаяся от известных разделением МС на соответствующее число подсистем элементов, позволяет исследовать ЭГУ в стационарных и переходных режимах, определять величину изменения вибраций при изменении параметров матрицы жесткости, методическая погрешность от 3% до 9%.
3. Разработана методика определения и рассчитаны значения параметров математической модели в виде передаточной функции узлов как колебательного звена второго порядка для пяти статических и динамических режимов генераторной установки при ресурсных испытаниях и установлена адекватность математической модели с вероятностью порядка 0,1 по критерию tij - Стьюдента, 2- критерию.
4. Сформированные на основе инерционных, жескостных, демпфирующих свойств элементы передаточной матрицы Wij(p) вибраций, ударных ускорений для линейно связанной механической подсистемы позволяют анализировать изменение уровня крепления узлов ЭГУ.
Относительная погрешность моделирования вибраций z1, z2, z3,... узлов определяется как отклонение фактического положения центра тяжести узла МС относительно расчетного положения и составляет от 2% до 10%. При анализе результатов расчета МС получено, что увеличение на 40 % - 50 % амплитуды вибраций узлов подсистемы «щеточный узел – статор генератора» связано со снижением на 20 % - 30 % затяжки крепления.
5. Математическая модель ЭМС, учитывающая емкостные и индуктивные связи между обмотками, между обмотками и корпусом, диодами выпрямительного блока, регулятором напряжения, позволяет по реакции элементов на испытательный импульс определять изменение параметров ЭГУ.
6. Установлена взаимосвязь параметров деформации и ВБР межвитковой изоляции обмоток статора, возбуждения на основе закона распределения вероятности Вейбулла пробивного напряжения и закона Пуассона распределения вероятности приложенного межвиткового напряжения при многократных воздействиях вибрации в переходных режимах, при форсированных ресурсных испытаниях.
7. Полученные для ряда механических подсистем регрессионные модели параметров надежности ВБР от изменения параметров МС и ЭМС позволяют определять, прогнозировать изменение надежности при ресурсных испытаниях, в эксплуатации.
8. Разработанные предложения по модернизации конструкции для повышения ВБР для генератора типа 37.3701, 94.3701 дают возможность за счет повышения жесткости крепления корпуса на 7,8-18 % повысить ВБР на 3,5-4,5 % с вероятностью 0,95. Увеличение толщины корпусной изоляции обмоток на 11-20% позволяет увеличить фактический ресурс работы на 8-13% с вероятностью 0,95.
9. Разработана методика определения показателей надёжности элементов системы СЭС при их испытании в форсированных режимах. Контроль работоспособности М и ЭМС с использованием разработанного устройства БУНК на основе анализа текущего значения резонансной частоты, спектра вибрации обеспечивает повышение надежности ЭГУ при эксплуатации – снижение интенсивности отказов на 20% - 30 %. Разработаны предложения по модернизации конструкции для повышения ВБР ЭГУ.
Публикации автора по теме диссертации:
1. Шлегель А.О. Измерения при ускоренных испытаниях электрооборудования автомобилей [Текст] / М.И. Рафиков, О.А. Шлегель //В сб. науч. трудов ПТИС. «Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона». Тольятти: 1999.- 0,1 п. л. (авт. 0,04 п.л.)
2. Шлегель А. О. Устройство виброизмерения генератора автомобилей "ВАЗ" [Текст] / А.А. Северин, Е.В.Силаева, Б.М. Горшков // Тез. докл. науч. конф. "Новые технологии в промышленности, экономике и социально-культурной сфере". Тольятти: ПТИС, 2000. - 0,1 п. л. (авт. 0,03 п.л.)
3. Шлегель А.О. Выборочный приемочный контроль, испытания электрооборудования автомобилей [Текст] / О.В.Петинов, А.Д.Николаев, В.В.Ермаков, О.А. Шлегель // В межвузовском сб. научных трудов, часть 2, «Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона» // ТПИ, 2000. - 0,1 п. л. (авт. 0,05 п.л.)
4. Шлегель А.О. Диагностика устройств и узлов двигателя автомобиля при сервисе и испытаниях [Текст] / В.Н. Попенко, Ю.О. Петинов, И.Д.Березин,
О.А.Шлегель // В сб. научн. трудов 7 всероссийская научно-техническая конференция. МГУС, Москва, 2002. - 0,1 п. л. (авт. 0,04 п.л.)
5. Шлегель А. О. Динамическое моделирование при автоматизированном диагностировании несущих систем технологического оборудования [Текст] / В.Н. Попенко, Ю.О.Петинов, И.Д. Березин, О.А. Шлегель // В сб. научн. трудов МГУС, 7 всероссийская НТК, Москва, 2002 // М.: МГУС, 2002. - 0,2 п. л. (авт. 0,1 п.л.)
6. Шлегель А. О. Диагностирование технического состояния узлов и деталей двигателя автомобиля [Текст] / Е.В.Силаева, О.А.Шлегель, Ю.О. Петинов
// В сб. научн. трудов ТГУ, НТК Тольятти, 2002. - 0,1 п. л. (авт. 0,05 п.л.)
7. Шлегель А. О. Ресурсные испытания силовых агрегатов легковых автомобилей [Текст] / Д.И. Гурьянов, О.А. Шлегель // В сб. научн. трудов Международная научно-техническая конференция, Москва МГТУ “МАМИ”, 2002. - 0,1 п. л. (авт. 0,05 п.л.)
8. Шлегель А. О. Исследование электромагнитной совместимости электрооборудования автомобилей [Текст] / Д.И. Гурьянов, О.А.Шлегель // В сб. научн. трудов. Международная научно-техническая конференция, Москва МГТУ “МАМИ”, 2002.- 0,1 п. л. (авт. 0,03 п.л.)
9. Шлегель А. О. Устройства диагностики технического состояния при эксплуатации двигателя автомобиля [Текст] / Силаева Е.В., Шлегель О.А., Петинов Ю.О. // В сб. научн. трудов Тольяттинский государственный университет, НТК, 2002. - 0,1 п. л. (авт. 0,03 п.л.)
10. Шлегель А.О. Определение уровня электромагнитного излучения автомобиля [Текст] / Б.М.Горшков, Е.В.Силаева, О.А. Шлегель // Автотракторное электрооборудование № 1, 2002.- 0,2 п. л. (авт. 0,1 п.л.)
11. Шлегель А. О. Диагностирование устройств электронного управления двигателя легкового автомобиля [Текст] / Ю.О.Петинов, О.А. Шлегель // В сб. трудов № 3. Всероссийская НТК «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», ТГУ, Тольятти: 2003.- 0,3 п. л. (авт. 0,1 п.л.)
12. Шлегель А. О. Ускоренные испытания на надежность мотторедук-торов и электродвигателей автомобиля [Текст] / А. О. Шлегель //Автотракторное электрооборудование № 1, 2005. - 0,1 п. л.
13. Шлегель А.О. Исследование механических и электромагнитных процессов автомобильного генератора в динамических режимах. [Текст] / Д.И. Гурьянов // Автотракторное электрооборудование № 4, 2005. - 0,1 п. л. (авт. 0,05 п.л.)
14. Шлегель А. О. Математическая модель механической системы автомобильного генератора в динамических режимах [Текст] / А. О. Шлегель // Автотракторное электрооборудование № 9, 2004. - 0,1 п. л.
15. Шлегель А. О. Математическая модель электромагнитной системы автомобильного генератора в динамических режимах [Текст] / А. О. Шлегель // Автотракторное электрооборудование № 6, 2005.- 0,1 п. л.
16. Шлегель А.О. Моделирование механической системы генератора [Текст] / А. О. Шлегель // В сб. научн. трудов Всероссийская НТК «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», ТГУ, Тольятти, 2005. - 0,1 п. л.
17. Шлегель А. О. Моделирование электромагнитной системы автомобильного генератора [Текст] / А. О. Шлегель // Всероссийская НТК «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», ТГУ, Тольятти, 2005.- 0,1 п. л.
Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В совместных публикациях автору принадлежат разработка методики определения показателей надежности (1, 3, 5, 9), электрическая принципиальная схема (4), обработка результатов измерений (2, 6, 7, 8), алгоритм функционирования (10, 13), расчетная часть (11).
Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04.
Протокол № _17_ от _20.09.2006 г._
Заказ № 78. Формат 6084 1/16. Бумага тип. №1
Печать офсетная. Уч.-изд. Л. 1,0. Тираж 100 экз.
Тольяттинский государственный университет.
Типография ТГУ.
443 100, г. Тольятти, ул. Белорусская 24, Главный корпус
